Имитация работы NMDA-рецептора улучшила обучение ИИ

Нейроморфные вычисления, сочетающие компактность с производительностью, считаются перспективными для создания искусственного интеллекта. Однако из-за отличий в работе полупроводниковых схем и биологических нейронов их сложно реализовать. В Nature Electronics описан искусственный нейрон с импульсным режимом работы, который обладает шестью ключевыми характеристиками живого нейрона. 

Искусственный нейрон, сконструированный учеными, состоит из одного диффузионного мемристора, одного транзистора и одного резистора. Он, как и биологические нейроны, обладает порогом срабатывания (аналогично порогу возбудимости нейрона), периодом рефрактерности и стохастичностью. Кроме того, он характеризуется внутренней пластичностью и некоторой утечкой. Наконец, искусственные нейроны можно соединять каскадно. 

Чтобы продемонстрировать возможности созданного нейрона, авторы смоделировали рекуррентную импульсную нейронную сеть и подтвердили, что ключевые характеристики влияют на производительность системы. Энергопотребление на один импульс измерялось пикоджоулями (10^–12), и авторы утверждают, что при дальнейшем масштабировании оно может достигнуть порядка аттоджоулей (10^–18). Исследователи заключают, что их разработка достаточно приближена к биологическому нейрону, чтобы обеспечить нейроморфные вычисления.

Природные характеристики грибов делают их идеальными объектами для биоэлектроники. Ученые из Университета штата Огайо наглядно продемонстрировали это на примере съедобного гриба шиитаке, получив из него органический мемристор — резистор с эффектом памяти, который можно использовать для создания вычислительных устройств.

Нейроморфные вычисления, вдохновленные структурой мозга, перспективны с точки зрения параллельной обработки и хранения данных. Однако подходящие для них чипы на основе полупроводников дороги в производстве, а нейронные органоиды требуют сложного обслуживания биореакторов. В качестве альтернативы исследователи предложили использовать гриб шиитаке (Lentinula edodes). Адаптивная электрическая сигнализация в мицелии этого гриба напоминает нейронные импульсы, где реакция на новые стимулы зависит в том числе от прошлых состояний.

Ученые вырастили грибы шиитаке и сконструировали из них ячейку памяти, контролируемо подавая электрические импульсы с помощью подключенных к грибам электродов. Оказалось, что мицелиальная сеть может функционировать как оперативная память компьютера, сохраняя функциональность на частотах до 5,85 кГц. Точность переключения между состояниями составила около 90%, но снижалась с дальнейшим увеличением частоты. Однако авторы уточняют, что эту проблему можно решить, включив в электрическую схему больше грибов.

Исследователи приходят к выводу, что «грибные компьютеры» могут лечь в основу масштабируемых систем для нейроморфных вычислений, а устойчивость шиитаке к радиации делает его перспективным для применения в аэрокосмической отрасли.

Международная группа ученых секвенировала геномы 390 трио «родители-потомок» для собак 43 пород. Исследования в формате трио применяются в медицинской генетике человека для поиска мутаций de novo, которых нет в геномах родителей, — мутаций, возникающих в сперматозоиде, яйцеклетке или в эмбрионе вскоре после зачатия.

В среднем у одного щенка появляется несколько десятков таких мутаций (4,89 × 10⁻⁹ на пару оснований). Возраст отца увеличивал количество новых мутаций у щенков, причем быстрее, чем это было показано у людей. (Самцы собак накапливают в 1,5 раза больше мутаций в сперме за год после полового созревания, чем люди.) Материнский эффект также наблюдался, хотя и менее выраженный.

Крупные породы, по-видимому, накапливали больше ранних мутаций, однако у мелких пород число мутаций быстрее увеличивалось с возрастом. Общее число мутаций de novo на поколение было сходным у разных пород, независимо от того, насколько интенсивным был отбор при разведении.

Интересно, что у собак, в отличие от человека, количество новых мутаций было повышено в регуляторных участках генов, известных как CpG-островки. Причиной может быть отсутствие у псовых функционального гена PRDM9, продукт которого регулирует генетическую рекомбинацию в мейозе при образовании половых клеток у людей и других млекопитающих.

У одной собаки (чистокровная бордер-колли) было выявлено на порядок больше мутаций, чем в норме; большинство из них возникло у матери. Вероятно, это было связано с временным нарушением репарации ДНК в ходе развития яйцеклетки. Подобные явления известны и у людей. Гипермутировавшая собака, как и ее родители, прожила достаточно долго (14 лет).

Данные о скорости накопления мутаций de novo у собак важны для изучения эволюционной истории собак и волков; по оценкам авторов, собаки отделились от волков 23 000–30 000 лет назад. (В работе 2019 года давалась оценка 25 000–33 000 лет назад). Эти данные также стоит учитывать заводчикам.

У большинства людей есть ведущая рука, и большинство населения планеты — правши. Однако бывают ли предпочитаемые конечности у обладателей большего их числа, например, осьминогов? Авторы статьи в Scientific Reports склоняются к утвердительному ответу, хотя и без прямой аналогии с право- и леворукостью — они показали, что в различных ситуациях осьминоги активнее пользуются теми или иными щупальцами.

Исследователи изучили видеозаписи естественного поведения 25 осьминогов в шести различных средах обитания, которые отличались сложностью ландшафта. Движения щупалец разделили на 12 вариантов действий, которые складывались из четырех возможных деформаций (укорочение, удлинение, сгибание или скручивание) трех отделов щупальца — проксимального, медиального и дистального. Ученые фиксировали, какие конечности использовались чаще при каждом из 15 действий, например, ползании по дну, и какие комбинации отдельных движений для этого выбирал осьминог.

Проанализировав в общей сложности 3,9 тысяч действий, авторы обнаружили, что каждое щупальце могло участвовать в выполнении любого действия, при этом частота деформаций варьировала в зависимости от отдела. Однако передние четыре щупальца использовались намного чаще, чем задние (64% против 36%), причем передние обычно использовались для исследовательских действий, а задние — для перемещения. Различий между правой и левой сторонами не наблюдалось. Авторы делают вывод о крайне широком диапазоне гибкости щупалец осьминога, важный для их сложного поведения и координации. Полученные данные могут пригодиться как этологам и морским биологам, так и инженерам, создающим мягких роботов.